混合动力汽车稳态转矩的控制策略探究

课 题 组

(石家庄职业技术学院 机电工程系，河北 石家庄 050081)

混合动力汽车稳态转矩的控制策略探究

课 题 组

(石家庄职业技术学院 机电工程系，河北 石家庄 050081)

从需求解析策略和能量分配策略两方面研究混合动力汽车稳态下的转矩控制策略.在需求解析策略方面，采用转矩解析的方式可以直接为转矩式柴油机电控系统提供转矩需求，便于系统的匹配；在能量分配策略方面，不同的整车需求和部件状态可组合成不同的工作模式和能量分配策略.

混合动力汽车；稳态；转矩；需求解析；能量分配

混合动力汽车控制策略能实现对整车各个系统之间的协调控制，以达到在满足车辆动力性约束条件下获得最佳燃油经济性的目的，在稳态下的转矩控制策略是整车控制策略的核心内容之一.本文以ISG(integrated starter and generator)并联混合动力汽车为主要研究对象，以整车经济性为优化目标，研究稳态状态下混合动力汽车转矩的控制策略.

混合动力汽车控制器的工作流程如图1所示.混合动力汽车整车控制器通过采集加速踏板位置、制动踏板位置、电池信息等，获取驾驶员需求和电池状态，计算得到混合动力系统的需求转矩，并根据一定的原则进行能量分配.从控制过程上可以分为需求解析策略和能量分配策略[1].

1 整车能量需求解析策略

按具体解析对象的不同，整车能量需求分为功率需求和转矩需求两部分.在并联式混合动力系统中，多采用转矩解析，它可以直接为转矩式柴油机电控系统提供转矩需求.在混合动力系统中，转矩需求主要有驾驶员意图和电池充电需求两部分.

1.1 驾驶员意图

驾驶员意图是指驾驶员的驱动转矩需求，主要由加速踏板开度和车速来表征，在发动机和电机不同轴的系统中，需要将减速比计算在内，驾驶员的需求转矩为：

Td(n)=α(ieTemax(ne)+imTmmax(nm))

(1)

式(1)中，Td(n)为驾驶员需求转矩，单位为N·m；α为加速踏板开度；ie为发动机减速比；im为电机减速比；Temax(ne)为发动机最大转矩，单位为N·m；Tmmax(nm)为电机最大转矩，单位为N·m.

1.2 电池充电转矩

电池充电需求根据SOC(State of charge)状态的不同可以分为两种：被动充电和主动充电.被动充电是指当电池SOC值小于最小安全工作下限时，必须进行充电，这时的充电电流可设置成电池组的最大许可电流，此时电池的充电转矩需求可由(2)式计算得出.

Tchg=9.549UIchgmax/n

(2)

(2)式中，Tchg为电池充电需求转矩，单位为N·m；U为母线电压，单位为V；n为电机转速，单位为r/min；Ichgmax为电池组最大允许充电电流，单位为A.

主动充电是指电池SOC大于最小限值，但尚未达到最小内阻值时的充电过程.通过主动充电可以将SOC增大，使电池的内阻减小，提高电池功率输出时的效率.一般来说，内阻最小处的SOC值为电池SOC上限和下限之和的中值，此时电池的充电电流可以表述为：

SOC∈[SOClo,(SOChi+SOClo)/2]

(3)

(4)

Tchg=9.549UIchg/n

(5)

式中，SOClo为SOC的最小门限值；SOChi为SOC的最大门限值；Ichg为当前充电电流，单位为A.

整车需求转矩Treq为驱动需求转矩和充电需求转矩之和，即Treq=Td+Tchg

(6)

图1 混合动力系统控制器工作流程

2 整车能量分配策略

混合动力汽车逻辑门限控制策略为发动机工作区间进行系统优化提供依据，根据输入的模拟工作条件计算得出驾驶员需求转矩、充电需求转矩和总需求转矩.发动机电控系统根据总需求转矩值、优化策略、工况需求和工况保护等进行转矩平衡计算.在没有故障的前提下，发动机端将修正后的发动机目标转矩反馈给整车控制器.若发动机目标转矩符合整车需求，且发动机工况处于最佳效率区，则发动机按照整车需求分配转矩需求，电机则根据电池充电转矩需求进入发电或空转工作模式；若发动机转矩能满足整车需求但处于低效率区间，则根据电池SOC的状态决定进入纯电动工作模式或者行车充电工作模式.若发动机不能满足整车需求，则电池的充电需求被忽略，电机进入助力状态，整车进入混合驱动模式.不同的整车需求和部件状态组合成不同的工作模式和能量分配策略[2]，见表1.

2.1 起动工况

系统得到起动指令后进行自检，检测各个子系统信号是否正常，例如，无故障、通讯正常、电池SOC值高于最低SOC限值等.若SOC值低于最低SOC限值，混合动力系统先进入驻地充电模式.电机进入调速模式时，模式离合器闭合，根据发动机提供的起动目标转速高怠速转动.当发动机转速达到起动转速后，认定发动机起动成功，电机转入转矩工作模式.车辆起动行驶低速阶段处于纯电动驱动状态，需求功率由电机提供[3].使能条件：系统自检完成，起动指令完成.

表1 不同工作模式下各子系统的能量分配策略

Key=on∩SOC>SOClo

(7)

转矩分配策略：

(8)

式中，Treq为系统需求转矩，单位为N·m；lacc为油门踏板位置；Th_max为系统最大输出转矩，单位为N·m；Te_max为发动机最大输出转矩，单位为N·m；Tm_max为电机最大输出转矩，单位为N·m；Te为发动机分配转矩，单位为N·m；Te为电机分配转矩，单位为N·m.

2.2 驻地充电

当电池SOC值过低时，由于内阻升高，电池的输出效率下降，长期处于这种状态会对电池的使用寿命造成影响.当SOC值低于最低SOC限值时，发动机起动给电池驻地充电，补偿过低的SOC.

使能条件：

Key=on∩SOC

(9)

转矩分配策略：

(10)

式中，Ic为充电电流，单位为A.

2.3 驱动工况

分四种不同的能量分配策略.

2.3.1 纯电机驱动

Analysis and treatment of anti-floating damage of an underground garage

使能条件：TreqSOC

(11)

转矩分配策略：

(12)

2.3.2 纯发动机驱动

使能条件：Treq

(13)

分配策略：

(14)

2.3.3 混合电机辅助驱动

电机辅助分两种情况根据电池SOC值的变化进行转矩匹配.当SOC值在许用范围时，发动机可以提供最大输出转矩；当SOC值过高时， 改变发动机运行工况，降低发动机输出转矩，使其小于系统需求转矩，由电机提供不足的转矩.

当SOC值正常时， 使能条件为:

(15)

转矩分配策略为：

(16)

当SOC过高时 ，使能条件为:

TreqSOC

(17)

转矩分配策略为：

(18)

2.3.4 行车充电

使能条件为:

Treq

(19)

转矩分配策略为：

(20)

2.4 制动模式

混合动力系统的制动系统由两部分组成：电机能源再生系统和机械制动部分.由于制动系统的特殊性，机械制动系统是车身安全舒适系统的一部分，它直接关系着驾驶员的人身安全，影响驾驶舒适性，所以通常为以保证安全为前提、以工况判断为依据的两级制动控制策略.

2.4.1 紧急制动

制动力完全由机械制动，虽然再生能源的制动可以增加制动效果，但由于这时工况变化过于剧烈，如果加以再生制动，会在发电机中产生大的冲击电流，对电机和电池系统不利，所以此时的制动力仅有制动摩擦片力矩产生.紧急制动的使能条件为制动踏板加速度大于制动踏板加速度门限值或制动踏板开度大于制动踏板开度门限值.

2.4.2 再生制动

再生制动通过将ISG (Integrated starter and generator)电机作为负载进行能源回收的方式，减少系统动能，实现制动.

使能条件为：Treq<0∩SOC

(21)

转矩分配策略为：

(22)

式中，Tu为机械制动转矩，单位为N·m.

3 结语

本文从需求解析策略和能量分配策略两部分入手，研究混合动力汽车稳态转矩控制策略.从驾驶员意图、电池充电转矩角度分析了整车能量的需求策略，并对不同工作模式下各系统的能量分配策略进行解析，为混合动力汽车后续研究奠定了基础.

(课题负责人：梁建伟.课题组成员：王静、刘培跃、苏海峰、杨占超)

[1] 李国斐，林逸，何洪文．ISG混合动力电动汽车控制策略仿真研究[J]．计算机仿真，2009，26(8):253-257.

[2] 张亚明，孙逢春，杨良会．混合动力汽车电子节气门控制研究[J]．北京理工大学学报，2009， 29(10)：881-885.

[3] 庄杰，杜爱民，许科．ISG型混合动力汽车发动机起动过程分析[J]．汽车工程，2008，30(4)：305-308.

责任编辑：金 欣

The stability of the control strategy of hybrid vehicle torque

PROJECT Team

(Department of Mechanics and Electrics, Shijiazhuang University of Applied Technology, Shijiazhuang, Hebei 050081, China)

This paper studies the torque of hybrid vehicle in relation to control strategy from two aspects of demand and energy allocation. In the demand analysis strategy, direct torque type can provide the torque demand with diesel engine electronic control system by the torque analysis.In energy allocation strategy, different work modes and energy distributions are formed with different vehicles demands and component states.

hybrid vehicle; steady state; torque; demand analysis strategy; energy allocation strategy

2017-03-16

2016年度河北省科技计划项目(16210807)

苏海峰(1971-)，男，河北石家庄人，石家庄职业技术学院教师，博士.

1009-4873(2017)02-0035-04

U469.7

A